도파관 기초: 원리, 전파 모드 및 실용적 응용

도파관은 중공 금속 튜브로 구성된 특수한 전송선입니다. 금속 벽이 분포 인덕턴스를 제공하고, 내부 공기 간격이 분포 정전용량을 공급합니다.

도파관은 파장이 가이드 단면과 비교될 정도로 매우 높은 주파수 신호에만 실용적입니다. 저주파에서는 전송선으로서 효과를 잃습니다.

전송선으로서의 도파관 사용

전송선으로 사용될 때 도파관은 특히 동축 케이블보다 제조와 유지보수가 훨씬 단순합니다.

단일 도체(도파관의 쉘)만 있으므로 도체 간 간격이나 유전체 일관성을 제어할 필요가 없습니다. 유일한 유전체는 공기입니다.

동축 케이블보다 습기 문제가 적어 가스 충전을 생략하는 경우가 많습니다.

도파관은 전자기 에너지의 도관 역할을 하며, 기존 의미의 전도보다는 파동을 안내합니다.

모든 전송선은 에너지 도관으로 작동하지만, 단일 도체 도파관에서의 전파는 2도체 선로에서의 전파와 근본적으로 다릅니다.

횡전계-횡자계(TEM)파 전파란?

모든 전자기파는 서로 수직인 전기장과 자기장으로 구성되어 함께 전파됩니다. 표준 전송선에서는 두 필드 모두 진행 방향에 대해 횡방향입니다.

이 횡방향 모드를 TEM(Transverse Electric and Magnetic)이라 하며, 2도체 선로에서만 존재하고 선로 단면이 파장에 비해 작을 때 지배적입니다.

마이크로파 주파수(100MHz~300GHz)에서 TEM 모드로 동작하는 2도체 선로는 상당한 길이에서 비실용적이 됩니다.

마이크로파에서 TEM 모드를 유지할 만큼 충분히 작은 선로는 낮은 내전압과 스킨 효과, 유전체 손실로 인한 높은 기생 손실을 겪습니다.

다행히 이 짧은 파장에서는 전도성 튜브를 사용하여 평행 도체보다 덜 손실되는 대체 전파 모드가 사용 가능합니다. 이것이 도파관이 유리해지는 지점입니다.

전자기파가 중공 튜브를 따라 이동할 때, 두 필드 중 하나(전기장 또는 자기장)만 전파 방향에 대해 횡방향으로 남습니다. 다른 필드는 종방향으로 루프를 돌지만 횡방향 필드에 수직으로 유지됩니다. 횡방향으로 남는 필드가 파동이 TE(Transverse Electric) 또는 TM(Transverse Magnetic) 모드로 전파되는지 결정합니다.

각 도파관은 여러 모드 변형을 지원하지만, 포괄적 논의는 이 글의 범위를 벗어납니다.

신호는 어떻게 도파관에 주입되고 추출되는가?

신호는 일반적으로 도파관에 삽입되는 작은 안테나 유사 장치를 사용하여 도파관으로/에서 결합시킵니다. 이 커플러는 쌍극자(적절한 길이의 두 개방 단자 스터브)나 단일 스터브(채찍 안테나와 유사한 반쪽 쌍극자, 물리적 길이 ¼λ), 또는 가이드 내부 표면에서 끝나는 짧은 와이어 루프일 수 있습니다.

일부 장치(예: 유도 출력관/클라이스트론)에서는 전도성 물질의 캐비티가 변조된 전자빔으로부터 직접 접촉 없이 전자기 에너지를 포착합니다.

공진 캐비티란?

전송선과 마찬가지로 막다른 도파관은 특정 주파수에서 공진할 수 있습니다. 이렇게 사용될 때 이 장치를 공진 캐비티라고 부릅니다.

유도 출력관은 전자빔과 출력 도파관 간 최대 전력 전달을 위해 토로이드 형상 공진 캐비티를 사용합니다.

캐비티의 공진 주파수는 물리적 치수 조정으로 튜닝할 수 있습니다. 제조사들은 거친 주파수 조정을 위해 이동식 플레이트, 나사 및 기타 기계적 요소를 통합합니다.

공진 캐비티가 한 쪽 끝이 개방되어 있으면 단일 지향성 안테나로 기능합니다.

다음 사진은 2.4GHz Wi-Fi(802.11b) 신호용 안테나로 사용된 깡통으로 만든 수제 도파관을 보여줍니다.

결합 요소는 1/4파 스터브입니다: 동축 커넥터 중심에서 깡통 중심으로 약 1-1/4인치 길이의 단단한 구리 와이어가 연장됩니다.

배경의 다른 깡통 안테나에는 프링글스 스타일 칩 캔이 포함되어 있는데, 골판지 구조임에도 금속 내부 라이닝이 필요한 전도성을 제공합니다.

일부 캔은 여전히 플라스틱 뚜껑을 가지고 있습니다. 플라스틱은 비전도성이라 RF 신호에 간섭하지 않지만, 가이드를 날씨와 파편으로부터 보호하는 물리적 장벽 역할을 합니다.

실제 도파관 안테나는 튜브를 밀폐하면서 전자기 에너지가 방해받지 않고 통과하도록 유사한 장벽을 사용합니다.

요약:

• 도파관은 전자기파의 도관 역할을 하는 금속 튜브로, 파장이 가이드 단면과 맞는 신호에만 적합합니다.
• 도파관 내 파동 전파는 TE(횡전계) 또는 TM(횡자계) 모드로 나뉘며, 어느 필드가 진행 방향에 대해 횡방향인지에 따라 결정됩니다. TEM(횡전계-횡자계) 모드는 2도체 선로에만 존재하며 도파관에서는 유지될 수 없습니다.
• 막다른 도파관이 공진 소자로 기능하면 공진 캐비티라고 부릅니다.
• 개방된 공진 캐비티는 개방된 쪽에서 RF 에너지를 방사하거나 수신하는 단일 지향성 안테나로 동작합니다.